反磁剪切托卡马克等离子体中低频剪切阿尔芬波的理论研究

Theoretical studies of low-frequency shear Alfvén waves in reversed shear tokamak plasmas

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中文摘要：位于动理学热离子带隙附近的低频阿尔芬扰动因可以与高能量粒子或背景热粒子发生相互作用而引起了广泛的关注.本文在一般鱼骨模色散关系的理论框架下,针对反磁剪切托卡马克等离子体中观测到的由高能量粒子或者背景热粒子激发的低频剪切阿尔芬波的线性特性进行了一系列的理论研究.由于这些低频剪切阿尔芬波与2019年DⅢ-D开展的专门研究高能量离子驱动低频不稳定的实验密切相关,因此本文通过采用DⅢ-D具有代表性实验的平衡参数,证明了实验上观测的低频模和比压阿尔芬本征模分别是以阿尔芬极化为主的反应型和耗散型不稳定模,因此,将前者称为低频阿尔芬模更准确.由于受逆磁和捕获粒子动理学效应的影响,低频阿尔芬模既可以在低频区(频率小于热离子的渡越或反弹频率)与比压阿尔芬声模耦合,又可以在高频区(频率大于或近似等于热离子的渡越频率)与比压阿尔芬本征模耦合.此外,由于受到不同激发机制的影响,与局域在安全因子最小值有理面附近的低频阿尔芬模相比,驱动比压阿尔芬本征模的高能量离子的压强梯度在偏离安全因子最小值的有理面时达到最大值,相应的比压阿尔芬本征模的本征函数在高能量离子驱动最大的径向位置处出现峰值.通过改变安全因子最小值理论上重现了实验上观测的比压阿尔芬本征模和低频阿尔芬模的上升频谱特征.研究还表明,比压阿尔芬声模由于受到强烈的朗道阻尼,因而很难被高能量粒子激发,这与基于第一性原理的理论预测和模拟结果一致.本文证明了一般鱼骨模色散关系在解释和预测实验和数值模拟结果方面的强大能力.

外文关键词：

low frequency shear Alfvén wavesenergetic particlesinstabilitiesgyrokinetic

作者：

马瑞瑞、陈骝、仇志勇

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作者单位：

核工业西南物理研究院,成都 610041

浙江大学物理系,杭州 310027

加州大学欧文分校物理与天文学系,加州 CA 92697-4574

关键词：

低频剪切阿尔芬波高能量粒子不稳定性回旋动理学

基金：

国家磁约束核聚变发展研究项目国家磁约束核聚变发展研究项目国家自然科学基金国家自然科学基金四川省自然科学基金

项目编号：

2022YFE030400022018YFE030410312261131622121750532022NSFSC1814

出版年：

2023

DOI：

10.7498/aps.72.20230255

物理学报

中国物理学会，中国科学院物理研究所

物理学报

CSTPCDCSCD北大核心

影响因子：1.038

ISSN：1000-3290

年,卷(期)：2023.72(21)

参考文献量57